“通常來講，我們認為立方金剛石是最硬的材料，但六方金剛石比它的硬度更高。”北京高壓科學研究中心主任楊文革告訴記者，前不久，其團隊聯合中國科學院西安光學精密機械研究所羅端團隊，首次在國際上成功合成百微米至毫米級、結構有序、高純度的“超級鉆石”——六方金剛石塊體樣品，相關論文發表于《自然》。

此研究證實，六方金剛石是立方金剛石的六方對應物。研究人員通過實驗并使用多種表征方式驗證了六方金剛石的存在，完整描述了其晶體結構、電子結構、應力學性質和光學透明性等各種特性。這終結了學界60多年來關于六方金剛石是否作為真實礦物存在的爭議。

從理論走向實驗室

立方金剛石是碳材料，它的獨特電子結構叫做SP3，其碳原子之間以1.54埃的鍵長和109.5°的鍵角相互結合，形成完美的四面體結構。這種單一類型的鍵合在二維方向上無限延伸，形成褶皺的蜂窩狀碳層，而這些層在三維方向上以相同的1.54埃鍵長堆疊。“這種碳原子結構單元決定了金剛石的硬度和其他極端特性，但其層間的鍵合相對較弱，從而限制了金剛石的整體強度。”楊文革介紹，六方金剛石也以SP3碳原子結構單元為構成基礎，但其層間鍵高度被大量縮短，層和層之間的作用力更強，意味著其硬度更高。

此前，地質學家凱瑟琳·朗斯代爾在迪亞布洛峽谷鐵隕石中發現了天然的六方金剛石，但那時候科學家只能借助X光衍射觀察到六方金剛石的粉晶混合體。數十年來，科學家曾通過模擬隕石撞擊地球時產生高溫高壓快速形變條件的動態爆炸和類似深海條件下的靜態壓縮等方式，探測研究六方金剛石的形成機制。

“之前，從未有科學家發現超過幾個原子層厚度的塊狀六方金剛石，這導致很長一段時間里，六方金剛石充滿爭議。它是否只能夾雜在立方金剛石里，而非一種獨立的新材料？它是否只是石墨演變成金剛石的中間過渡相？它是否只是在某種沖擊波極端條件下才能形成的微量物質？學界甚至對其作為一種真實物相的存在產生懷疑。”楊文革說。

全面“掃描”合成過程

“我們首次通過高壓原位觀測到石墨轉變為六方金剛石的過程，為之后穩定合成塊狀六方金剛石打下了基礎。”論文第一作者楊留響一邊向記者展示一塊1毫米的“黑鹽粒”，一邊說。科學家此前也曾嘗試合成過六方金剛石，但相關樣品包含不同比例的立方金剛石、無定形碳或殘留石墨，因此無法從這種多相混合物中確定六方金剛石是否獨立存在，更無法詳細分析其硬度及其他物理、化學性質。“目前我們合成的六方金剛石純度為99%。”他說。

本次研究使用金剛石對頂砧和大體積壓機，在準靜水壓高壓條件下，以單晶石墨為起始材料進行壓縮和加熱。具體實驗中，團隊采用高壓原位同步輻射實驗，實時觀測單晶石墨的演變過程。在經過長達8年之久、40多次反復試驗之后，研究人員最終發現，單晶石墨在高壓力區間會形成“后石墨相”高壓結構，隨后通過局部加熱可成功合成六方金剛石。“我們在樣品原位上改變壓力和溫度，用X光衍射同步觀測石墨晶體生長情況。這相當于對演變過程做了全面‘掃描’，改變了以往抽彩票式設置壓力及溫度參數的方式，以及單次參數設定后做完實驗再拿出來看樣品情況的思路。”楊文革說。

與此同時，研究團隊結合大尺度分子動力學理論模擬，揭示了石墨層堆疊構型對形成六方金剛石結構的關鍵性作用。這一發現證實了石墨經由“后石墨相”形成六方金剛石的相變路徑。“我們還進一步通過X光衍射、高分辨率透射電子顯微鏡、X射線拉曼光譜、電子能量損失譜、紫外拉曼光譜和維氏硬度測量等，反復研究驗證六方金剛石的存在。”楊留響說。

拓展新應用空間

實驗數據顯示，合成的六方金剛石褶皺蜂窩層之間的鍵合更短且更強，其硬度高達155千兆帕斯卡（GPa），約比天然金剛石高40%。此外，在真空環境下，其熱穩定性可達1100℃，明顯優于立方金剛石的900℃表現。

六方金剛石的這些特征為超硬材料的制備開辟了新的技術方向，在工業應用中展現出巨大潛力。“未來我們將進一步探索六方金剛石和立方金剛石更多的具體性差異。”上述論文通訊作者之一、中國科學院外籍院士毛河光說，目前金剛石在磨料、鉆井、硅片制備等方面有廣泛應用，隨著六方金剛石純度的進一步提高以及合成體積的增大，將為各類極端環境條件下的材料選擇提供更多可能。

目前，該研究團隊也在與國內外團隊合作，試圖通過摻雜實驗，得到六方金剛石內的NV色心，希望將六方金剛石引入量子點的測量和磁性檢測領域，解鎖其更多性質特征，挖掘六方金剛石作為潛在優良技術材料的路徑。

“立方金剛石像一個立方塊、一個魔方，某種程度上，對六方金剛石鍵合特征的揭秘打開了金剛石家族的‘魔盒’。將來，通過控制鍵合的長度，把‘魔方’拉高、壓低、扭轉，可能會創造更多不同硬度的金剛石成員。”楊文革說。